KR20160072899A - 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치 - Google Patents

듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더의 내부에 두 개의 인젝터를 장착하고 엔진의 현재 상태에 따라 두 개의 인젝터를 선택적으로 제어함으로써, 배기 가스 절감 효과 및 연비 향상 그리고 전 엔진 상태 영역에서 상황에 맞는 람다(λ) 제어가 가능하도록 할 수 있다.

Description

듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치{INJECTOR CONTROL METHOD AND APPARATUS OF GDI ENGINE}
본 발명은 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더의 내부에 두 개의 인젝터를 장착하고 엔진의 현재 상태에 따라 두 개의 인젝터를 선택적으로 제어함으로써, 배기 가스 절감 효과 및 연비 향상 그리고 전 엔진 상태 영역에서 상황에 맞는 람다(λ) 제어가 가능하도록 한 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
날로 심화되고 있는 지구 환경 문제로 유해 배출 가스가 적고, 연비가 좋은 자동차에 대한 요구가 증가되고 있는바, 다양한 저연비 기술 중에서 비교적 적은 코스트로 큰 연비 효과를 거둘 수 있는 것으로 평가되고 있는 희박 연소 엔진 탑재 차량이 현재 시판되고 있다.
최근에는 보다 더 적극적인 연비 저감 또는 냉시동시 배기가스 대책 기술로써 가솔린 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식의 GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진이 개발되고 있다.
이러한 직접 분사하는 방식의 GDI 엔진은 미리 공기를 충전해 놓은 실린더 안에 가솔린을 직접 분사함으로써 혼합기 비율이 기존의 엔진보다 희박한 상태에서 완전연소가 가능하도록 구성되는 엔진이다. 특히, 실린더 안에 강한 소용돌이가 발생하면서 혼합기가 완전 연소되는 원리가 적용되는 것이다.
즉, 직접 분사하는 방식의 GDI 엔진은 실린더 안에 세로 방향의 강한 소용돌이를 발생시키는 것이 특징인데, 이 소용돌이는 인젝터에서 분사된 가솔린을 효율적으로 점화플러그 주변으로 모아 혼합기가 완전히 연소될 수 있게 도와준다. 또 노킹을 일으키기 쉬운 플러그 주변에 연료를 직접 분사하면 흡기온도가 기화열에 의하여 낮아지므로 혼합기의 충전효율이 높아지고, 압축비도 높아진다.
그리하여 가솔린 분사량과 분사 시기, 혼합기 질량비 따위를 폭넓게 조정할 수 있게 되어 정속 주행시의 희박연소, 출력향상, 이산화탄소 배출감소 등의 양호한 성능을 나타내는 것이다.
이와 같은 GDI 엔진은 연료를 실린더 안에서 분사함에 있다. 이때, 인젝터의 위치가 중요한데 기구적인 이유로 실린더 외벽 쪽에 배치하고 있다. 이는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 분사 후 연료가 소용돌이(swirl)를 통해 혼합기가 된 후 점화해야하나 소용돌이(swirl)의 여부는 모델링(Modeling) 해야하므로, 정확도 감소 및 개발기간이 길어지는 문제점이 있다.
둘째, 연료 분사 시 내부 공기와 혼합(mixed)되어 점화되므로 람다(λ)=1로 제어해야 하며 희박 연소에는 어려움이 있는 문제점이 있다.
셋째, 분사된 연료가 실린더 내벽에 닿으므로서 침적되거나 흘러내려 입자상의 물질 생성이 되어 연소 시 PM(Particulate Matters; 입자상물질) 생성의 원인이 된다. 이는 실린더 내부에 퇴적물 생성을 야기하는 문제점이 있다.
넷째, 저온 시동일 경우 공기와 연료의 혼합과 원자화(atomization) 상태가 양호하지 못해 흡기관 벽면, 실린더 벽면에 부착되어 연소에 직접 기여하지 못하는 연료량이 상대적으로 많이 때문에 초기 연료량을 증량하여 분사해야 함으로 연비 및 배기가스 규제에 좋지 않다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실린더의 내부에 두 개의 인젝터를 장착하고 엔진의 현재 상태에 따라 두 개의 인젝터를 선택적으로 제어함으로써, 배기 가스 절감 효과 및 연비 향상 그리고 전 엔진 상태 영역에서 상황에 맞는 람다(λ) 제어가 가능하도록 한 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 연소실에 가솔린을 포함하는 주연료를 분사하는 제1 인젝터와, 상기 연소실에 에탄올을 포함하는 부연료를 분사하는 제2 인젝터를 포함하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터를 제어하는 방법으로서, 엔진의 상태 변수를 검출한 후, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 시동 영역 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하여 주연료를 분사시키고, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 아이들(Idle) 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하여 부연료를 분사시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 고속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 및 제2 인젝터의 동작을 동시에 제어하여 주연료 및 부연료를 동시에 분사시킴이 바람직하다.
바람직하게, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 저속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하여 주연료를 분사시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 보통 주행 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하여 부연료를 분사시킬 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 엔진 회전수, 외부로부터 유입되는 공기의 유량 및 온도, 스로틀 밸브의 개도 및 노킹 발생여부 중 적어도 어느 하나의 엔진의 상태 변수를 검출하는 센서부; 및 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수에 따라 연소실에 주연료를 분사하는 제1 인젝터와 연소실에 부연료를 분사하는 제2 인젝터를 각각 선택적으로 제어하되, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 시동 영역 운전 상태일 경우 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하고, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 아이들(Idle) 운전 상태일 경우 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 고속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 및 제2 인젝터의 동작을 동시에 제어함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 저속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 보통 주행 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 센서부로부터 제공받은 엔진의 상태 변수들을 기초로 주연료의 분사량, 분사 시기, 부연료의 분사량, 분사 시기 및 점화 시기를 판단할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 주연료의 분사량, 분사 시기, 상기 부연료의 분사량, 분사 시기 및 점화시기에 따라 연소실에 주연료를 분사하는 제1 인젝터, 상기 연소실에 부연료를 분사하는 제2 인젝터 및 점화 플러그의 작동을 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치에 따르면, 실린더의 내부에 두 개의 인젝터를 장착하고 엔진의 현재 상태에 따라 두 개의 인젝터를 선택적으로 제어함으로써, 배기 가스 절감 효과 및 연비 향상 그리고 전 엔진 상태 영역에서 상황에 맞는 람다(λ) 제어가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어를 위한 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진은 크게, 피스톤(10), 실린더(20), 흡기 밸브(30), 배기 밸브(40), 제1 인젝터(50), 제2 인젝터(60) 및 점화 플러그(70) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 피스톤(10)은 혼합기의 연소에 의하여 실린더(20) 내에서 왕복 운동을 한다. 피스톤(10)의 상면과 실린더(20)의 상면 사이에는 연소실(미도시)이 형성되어 있다.
흡기 밸브(30)는 실린더(20)의 상면에 한 쌍으로 장착되어 있으며, 흡기구를 열거나 닫는 역할을 수행한다.
배기 밸브(40)는 실린더(20)의 상면에 한 쌍으로 장착되어 있으며, 배기구를 열거나 닫는 역할을 수행한다. 상기 한 쌍의 흡기 밸브(30)와 한 쌍의 배기 밸브(40)는 각각 피스톤(10)의 중심축을 포함하는 평면에 대하여 대칭으로 형성되어 있다.
제1 인젝터(50)는 실린더(20)의 상면에 피스톤(10)의 중심축으로부터 이격되어 장착되어 있으며, 연소실 내로 가솔린을 포함하는 주연료를 직접 분사한다. 이러한 제1 인젝터(50)는 피스톤(10)의 중심축에 대하여 기울어져서 피스톤(10)의 상면을 향하여 주연료를 분사한다.
그리고, 제1 인젝터(50)에서 분사된 주연료는 피스톤(10)의 상면에서 반사되어 실린더(20)의 상면으로 이동한다. 이러한 주연료의 움직임을 가이드하기 위하여 피스톤(10)의 상면에는 리세스(미도시)가 형성될 수 있다.
제2 인젝터(60)는 실린더(20)의 상면에 피스톤(10)의 중심축 상에 장착되어 있으며, 연소실 내로 에탄올을 포함하는 부연료를 직접 분사한다. 특히, 제2 인젝터(60)는 연소실 내의 말단 가스 영역에 상기 부연료를 직접 분사한다. 이러한 목적을 위하여, 제2 인젝터(60)는 중공의 직원뿔 형상으로 연료를 분사한다.
즉, 제2 인젝터(60)에서 분사된 연료는 직원뿔의 모선을 따라 말단 가스 영역(실린더 라이너 부근)으로 뻗어 나간다. 말단 가스 영역에 분사된 부연료는 주연료에 비하여 옥탄가가 높으므로 노킹이 잘 발생되지 않는다. 또한, 부연료의 증기압이 높아 증발 시 주위 온도가 내려가 핫 스팟(hot spot)의 생성을 억제한다.
그리고, 점화 플러그(70)는 실린더(20)의 상면에서 제2 인젝터(60)의 근처에 배치되어 있으며, 피스톤(10)의 상면에서 반사된 주연료는 점화 플러그(70)의 근처로 이동하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어를 위한 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어를 위한 장치는 크게, 엔진 회전수 센서(100), 흡기량 센서(200), 스로틀 개도 센서(300), 흡기온 센서(400), 노킹 센서(500) 및 제어부(600) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 엔진 회전수 센서(100)는 크랭크샤프트(crankshaft)의 위상 변화로부터 엔진의 회전수를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(600)에 전달하는 기능을 수행한다.
흡기량 센서(200)는 외부로부터 유입되는 신선한 공기의 유량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(600)에 전달하는 기능을 수행한다.
스로틀 개도 센서(300)는 가속 페달의 작동 정도에 따라 작동하는 스로틀 밸브의 개도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어부(600)에 전달하는 기능을 수행한다. 이러한 스로틀 개도 센서(300) 대신 가속 페달 위치 센서를 사용할 수 있으며, 본 명세서 및 특허청구범위에서 스로틀 개도 센서(300)는 가속 페달 위치 센서를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
흡기온 센서(400)는 외부로부터 유입되는 신선한 공기의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(600)에 전달하는 기능을 수행한다.
노킹 센서(500)는 실린더 헤드 또는 실린더 블록에 장착되어 있으며, 연소시 발생하는 진동으로부터 노킹이 발생하였는지 여부를 판단하고 이에 대한 신호를 제어부(600)에 전달하는 기능을 수행한다.
제어부(600)는 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)로부터 받은 엔진 상태 변수들을 기초로 주연료의 분사량, 분사 시기, 부연료의 분사량, 분사 시기, 그리고 점화 시기를 판단한다. 상기 엔진 상태 변수들은 엔진 회전수, 공기의 유량 및 온도, 스로틀 밸브의 개도 등을 포함한다.
또한, 제어부(600)는 상기 주연료의 분사량, 분사 시기, 부연료의 분사량, 분사 시기, 그리고 점화시기에 따라 제1 인젝터(50), 제2 인젝터(60), 그리고 점화 플러그(70)의 작동을 제어한다. 한편, 제어부(600)는 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500) 이외에 다른 다양한 센서들을 이용하여 차량의 운전 상태(예컨대, 시동, 아이들(Idle), 고속 고부하, 저속 고부하, 보통 운전 상태 등)를 판단할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법을 설명하기 위한 전체적인 흐름도로서, 별다른 설명이 없는 한 제어부(600)가 주체가 되어 수행함을 밝혀둔다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 먼저, 엔진이 작동 중인 상태에서 센서들(100, 200, 300, 400, 500)은 엔진의 상태 변수를 검출한다(S100).
이후에, 제어부(600)는 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수에 따라 제1 인젝터(50) 및/또는 제2 인젝터(60)를 제어한다(S200).
즉, 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수가 시동 영역 운전 상태일 경우, 제1 인젝터(50)의 동작을 제어하여 주연료만을 분사시킴으로써, 람다(λ)=1로만 운행할 수 있다.
또한, 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수가 아이들(Idle) 운전 상태일 경우, 제2 인젝터(60)의 동작을 제어하여 부연료만을 분사시킴으로써, 희박연소로 제어할 수 있다.
또한, 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수가 고속 고부하 운전 상태(예컨대, 고속 주행)일 경우, 두 개의 제1 및 제2 인젝터(50 및 60)의 동작을 동시에 제어하여 주연료 및 부연료를 동시에 모두 분사시킨다.
추가적으로, 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수가 저속 고부하 운전 상태(예컨대, 오르막길 주행)일 경우, 제1 인젝터(50)의 동작을 제어하여 주연료만을 분사시킬 수도 있다.
더욱이, 상기 센서들(100, 200, 300, 400, 500)에서 검출된 엔진의 상태 변수가 보통(Normal) 주행 운전 상태일 경우, 제2 인젝터(60)의 동작을 제어하여 부연료만을 분사시킬 수도 있다.
전술한 본 발명에 따른 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법 및 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
10 : 피스톤, 20 : 실린더,
30 : 흡기 밸브, 40 : 배기 밸브,
50 : 제1 인젝터, 60 : 제2 인젝터,
70 : 점화 플러그, 100 : 엔진 회전수 센서,
200 : 흡기량 센서, 300 : 스로틀 개도 센서,
400 : 흡기온 센서, 500 : 노킹 센서,
600 : 제어부

Claims (10)

  1. 연소실에 가솔린을 포함하는 주연료를 분사하는 제1 인젝터와, 상기 연소실에 에탄올을 포함하는 부연료를 분사하는 제2 인젝터를 포함하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터를 제어하는 방법으로서,
    엔진의 상태 변수를 검출한 후, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 시동 영역 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하여 주연료를 분사시키고, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 아이들(Idle) 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하여 부연료를 분사시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 검출된 엔진의 상태 변수가 고속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 및 제2 인젝터의 동작을 동시에 제어하여 주연료 및 부연료를 동시에 분사시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 검출된 엔진의 상태 변수가 저속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하여 주연료를 분사시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 검출된 엔진의 상태 변수가 보통 주행 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하여 부연료를 분사시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어방법.
  5. 엔진 회전수, 외부로부터 유입되는 공기의 유량 및 온도, 스로틀 밸브의 개도 및 노킹 발생여부 중 적어도 어느 하나의 엔진의 상태 변수를 검출하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수에 따라 연소실에 주연료를 분사하는 제1 인젝터와 연소실에 부연료를 분사하는 제2 인젝터를 각각 선택적으로 제어하되, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 시동 영역 운전 상태일 경우 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하고, 상기 검출된 엔진의 상태 변수가 아이들(Idle) 운전 상태일 경우 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 고속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 및 제2 인젝터의 동작을 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 저속 고부하 운전 상태일 경우, 상기 제1 인젝터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 센서부로부터 검출된 엔진의 상태 변수가 보통 주행 운전 상태일 경우, 상기 제2 인젝터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 센서부로부터 제공받은 엔진의 상태 변수들을 기초로 주연료의 분사량, 분사 시기, 부연료의 분사량, 분사 시기 및 점화 시기를 판단하는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 주연료의 분사량, 분사 시기, 상기 부연료의 분사량, 분사 시기 및 점화시기에 따라 연소실에 주연료를 분사하는 제1 인젝터, 상기 연소실에 부연료를 분사하는 제2 인젝터 및 점화 플러그의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 직분사 엔진의 인젝터 제어 장치.
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